Исследование детонационного упрочнения шлифовальных кругов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.921

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТОНАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

© 2013 В.Н. Воронин, В.В. Борисов, А.Н. Журавлев, И.Д. Ибатуллин, И.В. Нечаев Самарский государственный технический университет Поступила в редакцию 02.04.2013

Приведена методика экспериментальной оценки остаточных напряжений в шлифовальном круге, наводимых детонационным упрочнением боковых поверхностей. Упрочнение происходит за счет формирования в круге напряжений сжатия при напылении на его боковые стороны корундового покрытия. Показано, что с ростом толщины керамического покрытия увеличиваются благоприятные напряжения сжатия.

Ключевые слова: шлифовальный круг, остаточные напряжения, упрочнение, детонационное напыление, керамическое покрытие

Известно, что одним из методов повышения надежности шлифовальных кругов при эксплуатации является нанесение детонационных покрытий на их боковые поверхности, за счет которых в материале круга возникают напряжения сжатия (рис. 1), компенсирующие рабочие растягивающие напряжения, обусловленные центробежными силами. Ранее приводились модели, описывающие величину остаточных напряжений, наводимых детонационной обработкой [1-3].

В данной статье показана экспериментальная методика, позволяющая подтвердить наличие благоприятных сжимающих напряжений на образцах шлифовальных кругов. Данная методика близка к известному методу определения остаточных напряжений по Давиденкову за тем исключением, что в новом методе вместо послойного травления кольцевых образцов и оценки смещений свободных концов разрезанного кольца используется наслаивание покрытия. Суть методики сводится к следующему. В испытуемом шлифовальном круге делают прорезь, обеспечивая возможность высвобождения внутренней энергии, запасенной кругом в процессе его изготовления. Высвобождение технологических остаточных напряжений сопровождается

Воронин Валерий Николаевич, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения». E-mail: [email protected]

Борисов Виталий Валерьевич, аспирант. E-mail: tavilek@rambler. ru

Журавлев Андрей Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры «Технология твердых химических веществ». E-mail: [email protected]

Ибатуллин Ильдар Дугласович, доктор технических наук, профессор кафедры «Нанотехнологии в машиностроении». E-mail: [email protected] Нечаев Илья Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология твердых химических веществ»

раскрытием зазора в месте прорези при наличии растягивающих напряжений или сближением краев круга в месте прорези при высвобождении остаточных напряжений сжатия. После релаксации внутренних напряжений измеряют начальный зазор х между краями прорези.

(в * в

(о (•1 (в

Рис. 1. Примеры упрочнения малогабаритных отрезных кругов (а) и шлифовальных кругов (б).

Покрытие - корунд, толщина 100 мкм

После напыления покрытия на боковые поверхности круга зазор между краями прорези приобретает величину x'. Учитывая, что прорезь имеет длину существенно меньше, чем длина

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 15, №4(2), 2013

окружности неразрезанной части абразивного круга Ь, можно записать равенства:

■ до напыления х = 2пЯ - Ь ;

■ после напыления х' = 2лЯ'-Ь.

(1)

Найдем зависимость, связывающую сжимающие напряжения, возникающие в материале круга под действием формируемого детонационного покрытия, и величинами х и х'. Для этого рассмотрим элементарный сегмент абразивного круга ЛВСО (рис. 2), где сплошными линиями очерчен начальный размер сегмента, а пунктирными - размеры сегмента Л 'В 'С 'О' после его сжатия в плоскости рисунка вследствие действия сжимающих напряжений, наводимых покрытием.

Рис. 2. Оценка остаточных напряжений в материале круга

Из подобия фигур ЛОЕ и Л'О'Е' следует,

что

ЛО ЛО'

ЛЕ Л Е

(2)

При этом отрезок АО равен исходному радиусу абразивного круга Я, а Л'О' - радиусу круга после напыления Я'. Уменьшение величины сегмента круга АЕ после напыления произошло под действием тепловой деформации круга, определяемой формулой Кингери

ЛЕ - Л Е' а

а =-= аА1 = —

ЛЕ Е

или

ЛЕ' = ЛЕИ -а

(3)

температуры Тком, поэтому запишем Т2 = Тком ~ 20оС. Аналогично для длины неразрезанной части круга можно записать:

ь=Ь(1 -а,

(4)

С учетом выражений (2, 3) можно записать:

- *-а,

(5)

Подставляя (4) и (5) в (1) получим:

х'=ч-а)-Ь1 -а )=т-а,

Выразим из (5) напряжение:

(5)

а = Е|1 - -I х,

(6)

Экспериментальную оценку напряжений, наводимых детонационным напылением, выполняли на образцах абразивного круга 100КС315. Для этого на боковую сторону образцов наклеивали алюминиевую пластину с проведенной вдоль пластины (в средней части) царапиной. Разрезали образцы ножовочным полотном шириной ~1 мм. Измеряли фактическую ширину прорези (начальный зазор) с точностью 1 мкм. Затем напыляли на боковые поверхности образцов корундовое покрытие толщиной 100, 200 и 300 мкм (вид образцов с покрытием показан на рис. 3). После чего вновь определяли ширину прорези (конечный зазор). Принимая, что модуль упругости материала связки равен Е«104 МПа, рассчитали напряжения по формуле (6) и усредняли результат.

где а - коэффициент линейного расширения материала круга; ЛТ - разница между начальной Т1 и конечной Т2 (после остывания) температуры покрытия; о - напряжение сжатия круга вследствие тепловой деформации покрытия (сжатия при остывании); Е - модуль упругости материала связки круга. Учитывая, что частицы материала покрытия в момент контакта с напыляемой поверхностью находятся в расплавленном состоянии примем Т] = Тп (температура плавления материала покрытия). После формирования слоя пятно покрытия быстро остывает до комнатной

Рис. 3. Общий вид образцов шлифовальных кругов после напыления

Для оценки ширины прорези перед разрезанием круга на его боковую поверхность наклеивали алюминиевую пластинку, на которой

предварительно чертили два перекрестия. Пропил выполняли между этими перекрестиями. Далее место пропила фотографировали с трехкратным увеличением и определяли расстояние между метками с использованием программы BMP.exe.

Результаты оценки изменения ширины зазора (по специальным меткам) после нанесения

детонационного покрытий на примере пяти образцов представлены в таблице 1.

Выводы: полученные результаты показали, что за счет напыления корундового покрытия можно создавать в шлифовальном круге остаточные напряжения сжатия, доходящие до 100 МПа.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

Таблица 1. Результаты оценки деформации шлифовальных кругов после напыления корундового покрытия

Толщина Началь- Конечный Измене- Количество

слоя, мкм ный зазор, зазор, мкм ние зазо- слоев

мкм ра, мкм напыления

100 1087 1053 34 7

100 1125 1094 31 7

100 1090 1062 28 7

100 1125 1089 36 7

100 1148 1114 34 7

200 1093 1025 68 13

200 1115 1044 71 13

200 1112 1055 57 13

200 1096 1037 59 13

200 1077 1018 59 13

300 1109 1005 104 20

300 1110 1011 99 20

300 1108 1012 96 20

300 1092 998 94 20

300 1101 1004 97 20

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ненашев, М.В. Математическая модель оптимизации напряженно-деформированного состояния в шлифовальных кругах на основе детонационных процессов напыления / М.В. Ненашев, И.Д. Иба-туллин, А.Н. Журавлев, А.Р. Дьяконов // В сб.: Математическая физика и ее приложения. Матер. Третьей международной конференции / под ред. чл.-корр. РАН И.В. Воловича и д.ф.-м.н. В.П. Радчен-ко. - Самара: СамГТУ, 2012. С. 213-214.

2. Ненашев, М.В. Детонационные технологии балансировки и упрочнения абразивных кругов / М.В. Ненашев, Д.А. Деморецкий, С.Ю. Ганигин и др. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, №1 (2). С. 409-412.

3. Ненашев, М.В. Применение детонационных покрытий в технологии машиностроения / М.В. Ненашев, Д.А. Деморецкий, С.Ю. Ганигин и др. // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13, №4 (3). С. 830-834.

RESEARCH THE DETONATION HARDENING OF GRINDING CIRCLES

© 2013 V.N. Voronin, B.B. Borisov, A.N. Zhuravlyov, I.D. Ibatullin, I.V. Nechaev

Samara State Technical University

The method of experimental estimation of residual stresses in a grinding circle, induced by detonation hardening of lateral surfaces is given. Hardening happens by the formation in a circle the pressure loads at a dusting on its lateral surfaces a corundum covering. It is shown that with increase the thickness of ceramic covering the favorable pressure loads also increase.

Key words: grinding circle, residual stresses, hardening, detonation dusting, ceramic covering

Valeriy Voronin, Senior Teacher at the Department "Technology of Mechanical Engineering". E-mail: [email protected]; Vitaliy Borisov, Post-graduate Student. E-mail: [email protected]; Andrey Zhuravlyov, Candidate of Technical Sciences, Senior Research Fellow at the Department "Technology of Solid Chemical Substances". E-mail: [email protected]; Ildar Ibatullin, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department "Nanotechnologies in Mechanical Engineering". E-mail: [email protected]; Iliya Nechaev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Technology of Solid Chemical Substances"